Integration and commissioning of LAPPDs in the ANNIE experiment and development and testing of SiPMs with active or passive light collectors

Abstract

Das Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) ist ein 26t Gadolinium dotierter Wasser-Cherenkov-Detektor. Der Detektor befindet sich auf der Achse des Booster- Neutrino-Beam (BNB) am Fermilab. Sein Hauptziel ist die Messung der Neutronen-Multiplizität im Endzustand von Neutrino-Nukleus-Wechselwirkungen, um die systematischen Unsicherheiten zukünftiger Longbaseline-Neutrinoexperimente zu verringern. Eine der wichtigsten Eigenschaften von ANNIE ist der Einsatz einer neuen Photosensoren Technologie namens Large Area Picosecond Photodetector (LAPPD). Diese neuartigen Sensoren bieten eine Zeitauflösung im Pikosekundenbereich sowie eine Ortsauflösung im Subzentimeterbereich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Softwareumgebung für die LAPPDs entwickelt und getestet, welche sowohl die Datenerfassung (Data Acquisition) als auch die Steuerung (Slow Control) umfasst. Zunächst erfolgte dies in einem Labor vor Ort zur Durchführung von Charakterisierungsmessungen, wovon einige Messungen in dieser Arbeit analysiert wurden. Die Integration in die Hauptsoftwareumgebung von ANNIE und der erfolgreiche Einsatz von drei LAPPDs folgte. Es konnte gezeigt werden, dass nach dem Einbau alle drei LAPPDs funktionierten und Ereignisse aus Neutrino-Wechselwirkungen, induziert durch den BNB, identifiziert werden konnten. Der gleichzeitige erfolgreiche Betrieb von drei LAPPDs wurde somit erreicht. Ein zweiter Bestandteil dieser Arbeit war die Entwicklung und Optimierung für Silizium- Photomultipliern (SiPM). Um die Lichtausbeute der Sensoren zu verbessern, wurden diese mit aktiven oder passiven Lichtkollektoren kombiniert. Monte Carlo Simulationen führten zu einer Geometrie für die Lichtkollektoren, bei der ein konischer unterer Teil zur Ankopplung an den SiPM mit einem parabolischen oberen Teil zur Erhöhung der internen Totalreflexion kombiniert wurde. Kalibriermessungen ergaben Zeitauflösung der Sensoren zwischen (152.7±102.5) ps und (588.7±28.86) ps. Die Bestimmung der charakteristischen Parameter zur Beschreibung des Zeitprofils der Lichtemission verschiedener Flüssigproben wie Wasser und Szintillatoren zeigte, dass der Einsatz von Lichtkollektoren die Anzahl detektierter Photonen in der „region of interest“ effektiv erhöht. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass die Lichtkollektoren nahezu keinen Einfluss auf die Zeitauflösung des Sensors selbst haben.

The Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) is a 26-ton gadolinium doped water Cherenkov detector situated on-axis of the Booster-Neutrino-Beam (BNB) at Fermilab. Its main goal is to measure the final state neutron multiplicity of neutrino-nucleus interactions to improve the systematic uncertainties of next-generation long baseline neutrino experiments. One of ANNIE’s key features is the deployment of a new photosensor technology called Large Area Picosecond Photodetectors (LAPPD). These new state-of-the-art photosensors offer a picosecond time resolution as well as sub-centimetre spatial resolution. In this work, the software environment, which includes data acquisition as well as slow control, for the LAPPDs was developed and tested - first in an on-site laboratory for characterisation measurements, a part of which has been analysed in this thesis, followed by the integration into the main ANNIE software environment and the successful deployment of three LAPPDs. It could be shown that all three LAPPDs were operating normally after deployment and events from neutrino interactions induced by the BNB could be identified. The successful operation of three LAPPDs simultaneously was achieved. A second part of this thesis is the development and optimisation for Silicon Photomultipliers (SiPM). To improve the light collection of the sensors, they have been combined with either active or passive light collectors. A geometry for the light collectors was chosen based on Monte Carlo simulations, combining a conic bottom part to connect to the SiPM and a parabolic top part to increase internal total reflection. Calibration measurements resulted in a time resolution of the sensors between (152.7±102.5) ps and (588.7±28.86) ps. The determination of the characteristic parameters to describe the time profile of the light emission of different liquid samples, like water and scintillators, showed that the use of light collectors effectively increases the amount of detected photons in the region of interest for the light emission. It has also been shown that the addition of light collectors has almost no influence on the timing response of the sensor.